鋁合金微弧氧化工藝的研究進展

張 穎， 孫淑萍， 劉 婕

（1.燕山大學 環(huán)境與化學工程學院，河北 秦皇島066004；2.河北省應用化學重點實驗室，河北 秦皇島066004）

0 前言

20世紀80年代后期，微弧氧化技術成為表面處理領域的一個研究熱點，各國的研究人員對微弧氧化膜的制備工藝及其性能進行了大量的研究。微弧氧化膜的性能與工藝參數(shù)（如電壓、電流密度、氧化時間、溫度、電解液等）密切相關。本文概述了電解液、添加劑及電參數(shù)對微弧氧化膜性能的影響。

1 電解液對微弧氧化膜性能的影響

1.1 電解液體系

牛犇等［1］分別在硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽體系中對鑄造鋁合金進行微弧氧化。研究表明：在硅酸鹽體系下制得的微弧氧化膜的厚度最大；在磷酸鹽體系下制得的微弧氧化膜的顯微硬度最大；三種體系下制得的微弧氧化膜都比較光滑。

1.2 電解液的質(zhì)量濃度

徐俊等［2］研究了Na2SiO3體系電解液的質(zhì)量濃度對微弧氧化膜性能的影響。結果表明：當Na2SiO3的質(zhì)量濃度大于12g／L，KOH 的質(zhì)量濃度大 于3 g／L時，微弧氧化膜粗糙、疏松；當Na2SiO3的質(zhì)量濃度小于6g／L時，成膜時間太長。

楊建等［3］采用NaOH-Na2SiO3體系電解液，對A356 鋁合金進行微弧氧化。研究表明：隨著NaOH 的質(zhì)量濃度的增加，微弧氧化膜的抗腐蝕時間先增加后減少；當NaOH 的質(zhì)量濃度為4g／L時，微弧氧化膜的耐蝕性最好。

1.3 添加劑

按作用不同，添加劑一般可分為導電劑、鈍化劑、穩(wěn)定劑和改良劑。常見的添加劑有鎢酸鈉、硼酸、EDTA-2Na、銨鹽、氫氟酸等。

在硅酸鹽體系下添加Na2WO4，當Na2WO4的質(zhì)量濃度由2g／L 增至6g／L 時，微弧氧化膜的厚度由37.5μm 增至48.3μm［4］。在硅酸鹽體系下添加硼酸，當硼酸的質(zhì)量濃度為1.5g／L時，微弧氧化膜的厚度達到21.0μm［5］。

在硅酸鹽體系下添加Na2WO4，可以提高微弧氧化膜的顯微硬度。當Na2WO4的質(zhì)量濃度為10 g／L時，微弧氧化膜的顯微硬度可達9 800 MPa［6］。這是因為隨著Na2WO4的質(zhì)量濃度的增加，微弧氧化膜的孔隙越來越小，顯微硬度越來越大。SiC 作為一種添加劑也可以提高微弧氧化膜的顯微硬度和耐磨性［7］。

Na2WO4和銨鹽均能使微弧氧化膜的孔隙變小，使微弧氧化膜變得光滑［8］。Na2WO4的存在增加了氧離子和鋁離子的結合，在試樣的缺陷處吸附，填補了孔隙，生成的微弧氧化膜結構致密、性能優(yōu)良［9］。

在電解液中添加鈰、鑭和SiC微粒，均可以提高微弧氧化膜的致密性和耐磨性［10］。在硅酸鈉體系中添加Na2WO4，可以抑制疏松層的增厚，提高微弧氧化膜的耐磨性［11］。

2 工藝參數(shù)對微弧氧化膜性能的影響

2.1 電流密度

劉俊超等［12］研究了電流密度對微弧氧化膜的厚度、粗糙度及成膜速率的影響。結果表明：電流密度應控制在10～15A／dm2范圍內(nèi)。

隨著電流密度的增大，微弧氧化膜的孔隙率明顯上升，致密性下降。邵忠財?shù)龋?3］的研究表明：隨著電流密度的增大，陶瓷層及其致密層的增長速率均加快；當電流密度大于6.2A／dm2時，致密層的增長幅度明顯減緩，增長速率不再隨電流密度的增大而增大。

微弧氧化膜的顯微硬度與其相組成及致密性有關。段關文等［14］的研究表明：隨著電流密度的增大，微弧氧化膜的顯微硬度增大；當電流密度超過8 A／dm2時，微弧氧化膜的顯微硬度趨于穩(wěn)定。

隨著電流密度的增大，微弧氧化膜表面的微孔數(shù)量越來越少，但微孔的孔徑卻越來越大。杜軍等［15］指出：當電流密度為10A／dm2時，微弧氧化膜表面的微粒與孔洞較小；當電流密度為20 A／dm2時，微弧氧化膜較致密；當電流密度達到30A／dm2時，微弧氧化膜較粗糙，出現(xiàn)明顯的微裂痕。

2.2 電壓

微弧氧化膜的厚度與電壓成正比，電壓越高，微弧氧化膜的厚度越大，但其粗糙度也越大。劉俊超等［12］指出：電壓低于500V 時，其對微弧氧化膜厚度的影響不是很明顯；高于500V 后，較小的電壓差異就會使微弧氧化膜的厚度發(fā)生很大的變化，而微弧氧化膜的生長速率則是先增大后減小。在硅酸鹽體系下，提高正負向電壓都有利于提高微弧氧化膜的厚度和均勻性，負向電壓對微弧氧化膜的影響更明顯［16］。

2.3 氧化時間

隨著氧化時間的延長，微弧氧化膜的厚度增加，膜層的平均生長速率下降。研究表明［17-18］：在恒流下，20min前，微弧氧化膜的厚度隨氧化時間的增加而呈線性增加；20min后的增長速率是20min內(nèi)的2倍；30min以后，微弧氧化膜的厚度基本不變。

隨著氧化時間的延長，微弧氧化膜表面的微孔數(shù)量明顯減少，但微孔的孔徑明顯變大，微弧氧化膜的致密性下降。李忠盛等［19］的研究表明：當氧化時間為60min時，微弧氧化膜表面環(huán)形微粒的直徑約為10～20μm；當氧化時間增加到160min時，微弧氧化膜表面環(huán)形微粒的直徑增加到30μm。

微弧氧化膜的顯微硬度隨氧化時間的延長而增大。李紅霞等［20］在電流密度20 A／dm2，氧化時間90min的條件下，制得顯微硬度為11 800 MPa的微弧氧化膜。薛文斌等［21］的研究表明：微弧氧化膜的平均顯微硬度隨膜厚的增加而增大，顯微硬度峰值也隨膜厚的增加而增大，最高的顯微硬度值達到20 000 MPa。

厚度、致密性、相組成是影響微弧氧化膜耐蝕性的三個主要因素。杜軍等［15］指出：當氧化時間低于15min時，微弧氧化膜的抗點蝕性能隨氧化時間的增加而增強；繼續(xù)延長氧化時間，抗點蝕性能變化不大；超過20min時，抗點蝕性能迅速下降。

2.4 溫度

溫度應控制在50℃以下，溫度太高不利于微弧氧化的進行。溫度越高，成膜速率越快，但其粗糙度也隨之增加。王永等［22］的研究表明：隨著電解液起始溫度的升高，微弧氧化膜的厚度出現(xiàn)了先增加后減小再增加的變化趨勢，分別在40℃和50℃時取得最大值和最小值。

2.5 脈沖頻率

隨著脈沖頻率的增大，微弧氧化膜的厚度先減小后趨于穩(wěn)定，粗糙度先減小后增大，成膜速率逐漸降低。脈沖頻率越大，單脈沖放電能量越小，擊穿熔融后所形成的微孔也越小，陶瓷層比較致密［23］。

3 結語

與陽極氧化膜相比，微弧氧化膜具有較高的綜合性能。由于微弧氧化膜具備了陽極氧化膜和陶瓷噴涂層兩者的優(yōu)點，微弧氧化在許多領域都有著廣闊的應用前景。

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